Электрические машины преобразуют механическую энергию в электрический ток и наоборот. Подавляющее большинство электрических устройств работают по простой схеме: под действием механической энергии вырабатывается электричество, которое в свою очередь вызывает движение станков, машин, механизмов, подвижного состава. В транспортной отрасли хорошо известен тяговый электродвигатель, приводящий в действие колесные пары вагонов. Использование их в режиме генератора дает возможность затормозить состав. Процесс торможения происходит за счет нагрузки, образующейся в процессе превращения механической энергии состава, находящегося в движении, в электрический ток.
Появление и развитие тяговых устройств
В самом начале, когда электрический транспорт только начал использоваться, на всех видах подвижного состава устанавливались коллекторные тяговые электродвигатели. При этом передача энергии осуществлялась по самой простой схеме, поэтому агрегатами можно было легко управлять в любом рабочем режиме. Технические и механические характеристики полностью отвечали всем требованиям транспортной специфики.
Тем не менее, в процессе эксплуатации тяговый электродвигатель постоянного тока обнаружил ряд недостатков. В первую очередь, это сам коллектор, оборудованный подвижными контактами – щетками, требующий регулярного технического обслуживания. Принимаемые меры по снижению искрения, повышению надежности коммутации, во многом усложнили устройство двигателя. В результате, его размеры заметно увеличились, а максимальная скорость вращения осталась на прежнем уровне.
Постепенно развивалось направление силовой техники на основе быстродействующих полупроводников. Это позволило заменить реостатную систему, применяемую в коллекторных агрегатах, импульсной, отличающейся повышенной надежностью и экономичностью. В дальнейшем, в вагонных парах стал устанавливаться асинхронный тяговый двигатель в качестве приводного механизма.
Основными проблемами, с которыми пришлось столкнуться при эксплуатации асинхронных двигателей, считаются сложные регулировки. Определенные трудности возникают при использовании электрического торможения, когда для этих целей служат моторы на основе короткозамкнутого ротора. В данный период идет разработка более современных тяговых приводов на основе синхронных агрегатов, в которых установлен ротор на постоянных магнитах.
Поскольку на железнодорожном транспорте до сих пор широко используются именно коллекторные агрегаты, следует более подробно рассмотреть их общее устройство и порядок работы.
Оборудование электровоза
Электровозы обоих систем имеют, как правило, унифицированный кузов, в котором размещено все оборудование. Пассажирские электровозы имеют свои особенности по конструкции кузова.
Токоприемник
На крышах электровозов располагаются токоприемники – это трубчатая конструкция, на самом верху которой закрепляется, через каретку, полоз токоприемника, в полозе устанавливаются угольные или угольно-керамические вставки, которые и скользят по контактному проводу, передавая ток на токоприемник и далее на силовые цепи.
Могут применятся и другие материалы, вместо угольных вставок. На токоприемниках электровозов постоянного тока устанавливается, как правило, два полоза, для улучшения токосъема. Токоприемник поднимается при подаче воздуха из цепей управления в пневматический цилиндр, преодолевая усилие возвратных пружин. При опускании токоприемника воздух из цилиндра выходит в атмосферу и возвратные пружины опускают токоприемник на крышу. Неисправный токоприемник может быть отключен от силовой цепи ручным разъединителем.
Вспомогательные машины
Надо отметить, что воздух для любого электровоза – это очень важный элемент в его работе. Без воздуха не поднимешь токоприемник, не подключишь силовые контакты и т.д. На всех электровозах существуют вспомогательные компрессоры, которые могут накачать давление в цепях управления до величины, необходимой для поднятия токоприемника.
Электровозы обоих систем тока имеют электрические мотор-вентиляторы для охлаждения ТЭД и других устройств, мотор-компрессоры для накачивания воздуха в главные резервуары локомотива, а оттуда во все системы электровоза и автоматические тормоза поезда.
Машинное отделение электровоза
Все электровозы управляются через контроллеры (разных конструкций) из кабины машиниста и оснащены всем необходимым оборудованием для ведения поезда (прожекторы, краны машиниста-усл. №395 и усл. №254, КВ и УКВ радиостанции, буферные фонари, санузлы и т.д.). На крышах электровозов, помимо упомянутых выше токоприемников, располагаются жалюзи вентиляторов, антенны, изоляторы, шунты, токопроводящие шины и другое оборудование. На пассажирских электровозах установлены системы отопления пассажирских вагонов (3000 В).
Назначение и устройство станины
Каждый тяговый электродвигатель оборудуется станиной, используемой прежде всего в качестве магнитопровода, по которому осуществляется прохождение магнитных потоков основных и дополнительных полюсов. Еще она служит местом расположения и крепления полюсов и подшипниковой защиты.
При наличии больших нагрузок станина обычно бывает отлита из стали или сварена из толстых электротехнических стальных листов. Благодаря такой конструкции создается требуемая механическая устойчивость и высокая магнитная проницаемость. Стенки обычно имеют толщину, обеспечивающую установленный уровень магнитной индукции, а ее размеры ориентированы на поперечное сечение главных полюсов и составляют не ниже 50% этого размера.
На представленном рисунке отмечено расположение станины (1), относительно других деталей и компонентов – сердечника полюса (2), катушки обмотки возбуждения (3) и полюсного башмака (4). Между всеми элементами и якорем существует воздушная прослойка (5). Размеры диаметра изнутри станины рассчитываются так, чтобы в этом пространстве мог разместиться якорь, полюса главные и дополнительные и их обмотки.
Тяговый электродвигатель локомотива может иметь стальную литую станину с уменьшенной массой и пониженным поперечным сечением, ориентированным на оси главных полюсов. Это дает возможность равномерно распределить магнитный поток, поступающий к станине от главного полюса.
Особенности конструкции ТЭД
Мощные стационарные электромоторы конструктивно гораздо проще тяговых аналогов, что, в общем-то, понятно. Им не приходится работать в столь сложных условиях, для монтажа таких моторов не требуются сложные решения, да и к размерам не предъявляются жесткие требования. Для ТЭД же пришлось разрабатывать специальные станины и другое оборудование для крепления, конструкторам пришлось считаться с ограничениями двигателей по длине и диаметру. Нужно также учесть, что тяговые электромоторы железнодорожного и пассажирского городского транспорта, а также автомобилей вынуждены «трудиться» в крайне неблагоприятных условиях. Это и погодные факторы (влияние влажности, пыли, температурных колебаний), и дорожные, когда мощность ТЭД меняется быстро и разнонаправленно, с частыми пусками мотора. Так, в режиме трогания токи могут превышать номинальные в два и более раз.
Тяговые электромоторы вынуждены работать в условиях тряски и постоянных толчков, в режимах повышенной механической, электрической и тепловой нагрузки. Поэтому при разработке моторов много внимания уделяется повышению механической прочности деталей и их соединений и надёжности электрических компонентов, улучшению изоляции токоведущих элементов (с точки зрения тепло- и влагозащиты), обеспечению надёжности коммутации всех частей двигателя.
Существуют и определённые отраслевые особенности. Так, для тяговых электромоторов, устанавливаемых на шахтные электровозы, необходимо обеспечить соблюдение требований по защите от возможности возгорания или взрыва.
В силу вышесказанного ТЭД относят к электродвигателям предельного использования.
Главные полюса
Тяговый электродвигатель, работающий на постоянном токе, включает в свою конструкцию обмотку возбуждения, где и появляется магнитодвижущая сила, создающая, в свою очередь, магнитное поле. В состав обмотки входят катушки, надеваемые на сердечники основных полюсов. На стороне сердечника, направленной к якорю, устанавливается полюсный наконечник, он же башмак. С его помощью осуществляется равномерное распределение магнитного потока по всей поверхности якоря. Перечисленные детали отмечены на предыдущем рисунке вместе со станиной.
На практике довольно редко используется схема, включающая в себя полюсный сердечник и полюсный башмак. Как правило, они объединяются в единое целое и образуют главный полюс. За счет этого в сердечнике полюса наступает снижение вихревых потоков, вызываемых действием пульсаций магнитной индукции в наконечниках из-за зубчатой поверхности якоря.
Для сборки полюса используются стальные лакированные листы, которые затем попадают под пресс высокого давления. Сквозь сердечник пропускаются болты или специальные заклепки, чтобы стянуть всю конструкцию. Их равномерное распределение позволяет успешно выдерживать упругость сжатых полос. Крепление полюсов к станине осуществляется с помощью болтов или шпилек.
Режимы работы
Режимы работы
ТЭД — продолжительный и кратковременный. Продолжительный режим — работа в течение неограниченного времени при номинальном напряжении с наибольшей силой тока, при которой температура обмоток достигает предельно допустимой. Для ТЭД, используемых при электрическом торможении, номинальные продолжительные режимы устанавливают при наименьшем и наибольшем допускаемых напряжениях, при номинальной мощности и частоте вращения. Номинальные кратковременные режимы устанавливают при длительности рабочих периодов 15, 30, 40, 60 и 90 мин.
Наибольшее распространение на ЭПС ж. д. России и зарубежных стран получили коллекторные ТЭД постоянного и пульсирующего тока; первые — на электрифицированных линиях с постоянным напряжением, вторые — на линиях с переменным напряжением промышленной частоты. Однофазные коллекторные ТЭД переменного тока используются реже (в СССР такие ТЭД для тяги не применяли); их включают непосредственно на вторичную обмотку трансформатора. В ряде стран Западной Европы на старых участках электрифицированных ж. д. тяговые двигатели получают питание переменным током с пониженным напряжением в контактной сети частотой 162/з Гц. В 1950-е гг. на электровозах (Франция) устанавливали однофазные коллекторные ТЭД, работавшие на промышленной частоте 50 Гц. Распространения эти двигатели не получили из-за плохой коммутации, сложности конструкции многощеточного токосъемного узла и сильной пульсации малого вращающего момента, а также из-за большого веса, неспособности работать в режиме торможения. Особенно неперспективными однофазные коллекторные ТЭД стали с появлением ЭПС, на котором применялись полупроводниковые выпрямители. Благодаря созданию полупроводниковых преобразователей, приемлемых по йесовым, габаритным и энергетическим показателям, начиная с 1970-х гг. стали применять асинхронные и синхронные бесколлекторные ТЭД трехфазного тока.
Назначение и устройство добавочных полюсов
Каждый тяговый электродвигатель мощностью более 1 кВт оборудуется дополнительными полюсами, для того чтобы снизить количество искр, появляющихся на щетках. Их устройство очень простое, включающее в себя сердечник (1) и катушку (2), где использован медный проводник в изоляции. Его сечение рассчитывается по рабочему току двигателя, поскольку эта катушка и обмотка якоря последовательно подключаются друг к другу.
Стальной сердечник изготавливается в виде монолитной конструкции, по причине отсутствия в нем вихревых токов, так как магнитная индукция имеет очень малую величину. Местом монтажа дополнительных полюсов определен промежуток между главными полюсами, а крепление к станине выполняется специальными болтами. Величина воздушной прослойки под ними существенно превышает зазор под главными полюсами. Его регулировка выполняется при помощи специальных пластин из материалов магнитного или немагнитного типа, а окончательная величина определяется, когда тяговый двигатель постоянного тока настраивается на коммутацию при достижении минимального количества искр.
Какие бывают электровозы
Грузовые электровозы работают обычно в двухсекционном или трехсекционном исполнении, могут соединяться и два двухсекционных электровоза. Все межсекционные соединения производятся кабелями (жоксами), электровозы управляются с одного пульта, это называется – по системе многих единиц.
В настоящее время строятся электровозы в трехсекционном и четырехсекционном исполнении, с возможностью прохода во все секции при движении, промежуточные секции уже не имеют кабин управления и называются – бустерными. Вот в целом и сходства электровозов двух систем тока. А различия рассмотрим в следующих статьях: электровозы постоянного тока, переменного тока, двойного питания.
Якорь и коллектор
В состав якоря входит вал, сердечник, обмотки и коллектор. Конфигурация сердечника выполнена в форме цилиндра, а сам он изготовлен из тонких штампованных листов электротехнической стали. Для изоляции листов используется лак или бумага. В сжатом виде после сборки сердечник фиксируется нажимными шайбами. Благодаря устройству сердечника, удается компенсировать влияние вихревых токов и снизить в нем утечку электроэнергии. Охлаждение ТЭД выполняется за счет специальных каналов вентиляции, устроенных в сердечнике.
Для якорных обмоток используется медный проводник круглого или прямоугольного сечения. Он закладывается в выемки сердечника и качественно изолируется от него. Вся обмотка делится на секции, концы каждой из них соединяются с коллектором путем пайки.
В конструкцию каждого коллектора входит активная составляющая и система крепления. Изоляция медных коллекторных пластинок (7) выполняется с помощью специальных прокладок. Провода якорной обмотки припаиваются к выступу в конце элемента (5). Край пластин, расположенный снизу (6) после сборки зажимается с помощью двух нажимных колец (3). Эти кольца также изолируются, а сама изоляция утапливается на 1,5 мм внутрь скользящей поверхности коллектора.
Синхронный (вентильный) двигатель
Синхронный (вентильный)
ТЭД по принципу действия подобен машине постоянного тока, в которой механический коллектор заменен системой силовых управляемых вентилей преобразовательной установки. На статоре располагается многофазная обмотка, на роторе — обмотка возбуждения постоянного тока, электроэнергия к которой подводится через специальные кольца и щетки. Переключение вентилей происходит при малой частоте вращения по сигналам от датчиков контроля положения ротора, установленных внутри электродвигателя, или по противоэдс при более высокой скорости. Непрерывное вращение ротора обеспечивается поочередным переключением выводов статорной обмотки согласно программе управления вентилями преобразователя. Регулирование вентильного ТЭД осуществляется по напряжению, частоте и силе тока возбуждения (три независимых канала регулирования). В системе управления вентильным ТЭД могут быть использованы микропроцессоры.
